耗资1170万美元打造南加州大学新科研中心 为神经系统研发开源可植入设备
以南加州大学为主导的科研中心将研发前沿尖端设备，向自主神经系统发送刺激脉冲，以治疗和监测多种病症。
大学的自主神经系统是除了大脑和脊髓之外的精密神经网络，能感知和控制人体每个器官的功能。在这个至关重要的系统中，一旦出现问题，很可能会带来灾难性的后果，引发各种各样的疾病和病症：从肥胖和糖尿病，到心力衰竭和膀胱过度活动症等等。
南加州大学Viterbi工程学院的研究人员一直致力于研发前沿生物电子医学技术，以便于更好地认识和治疗自主神经系统调节的慢性疾病和病症。随着耗资高达1170万美元的新科研中心的落成，科研团队距离目标更进了一步。该中心将在三年内研发模块化开源可植入设备系统，用以监测和刺激人体自主神经。
自主神经记录和刺激系统中心（Center for Autonomic Nerve Recording and Stimulation Systems，CARSS）将获得美国国立卫生研究院共同基金的资助。CARSS将成为刺激外周神经活动缓解病症（Stimulating Peripheral Activity to Relieve Conditions，SPARC）计划的人体开放研究神经工程技术（Human Open Research Neural Engineering Technologies，HORNET)行动的一部分。本中心将由Ellis Meng（Shelly和OferNemirovsky聚焦生物科学系主任、生物医学工程及电气和计算机工程系教授、技术创新和创业副院长）与两位联合首席研究员Victor Pikov（来自Medipace）和Raja Hitti（来自Med-Ally）共同领导。
Meng表示，可植入设备系统可通过刺激自主神经来产生疗效，这样，医生便可通过控制患者的神经、器官和大脑之间的交流来治疗多种慢性病症。在该项目中，研究人员和医生还会启用传感信息，从而进一步了解疾病进展期间人体内发生的变化，以及人体对于施加的神经调节疗法的反应。该项目特有的开源特点，令全体科研人员有使用该技术的权利，并将可植入系统适用于多种治疗性和临床研究场景。
Meng表示：“该项目的目标是让不同的研究人员能够接触到这项技术，以开展任何需要的临床研究，最终改善患者疗效。我们选择了开放这项技术，将来也很期待看到研究人员获得自行编程制作所需主界面的能力。不过因为这是个新兴概念，所以属于整个领域的未知地带，有待更多的探索。”
CARSS神经技术平台将包含可植入脉冲发生器（implantable pulse generator，IPG），这是一种可用于植入人体的类似心脏起搏器的设备，例如植入锁骨周围，从而向患者的自主神经系统施加电脉冲。CARSS系统还包含可供医生和患者操作的外部充电器和蓝牙控制器，以及各种各样的可共同操作和可植入的导线，以用于刺激和传感，包括可附加到自主神经的微型袖带。
患者和临床医生控制器将通过智能手机和平板电脑使用CARSS软件进行操作。最终的成果会将开源系统进行重新配置以适合各种生物电子医学应用场景。
Meng表示：“关于可以医治的病症，我们会交给用户决定，因为有多种疾病也许能够通过周围神经系统来解决。选择最多的可能是迷走神经。这是一条连接了各种组织的大神经，往下进入周围神经系统，就会到达不同器官附近的微小神经，这些神经更难以接触。”
Meng将领导新中心的一个项目，专注于设备设计，包括可以附加到特定神经以施加刺激的微型电袖带系统。
Meng表示：“在这个系统中，神经都是小束纤维，因此标准袖带接口就像智能手表一样包裹在手腕上，电极就像面向神经的传感器。我们要打造的是20微米厚（大约一根头发直径的四分之一）的带有电极的螺旋袖带，用于包裹神经。这个袖带必须极致小巧精密，否则就会划伤神经。”
用于跟踪人体关键信息的新传感器工具箱
新中心的另一个项目的重点是研发周围神经系统内电化学、机械和温度传感的技术，研究将由生物医学工程系助理教授Maral Mousavi 以及航空航天和机械工程系助理教授Hangbo Zhao领导。
Mousavi和Zhao将研发用于探测两个不同传感领域的工具。
Zhao表示：“一个方面是感测物理参数，例如器官的温度和运动。内脏器官的温度波动范围极小，很小的温度变化都可能扰乱器官功能。我们还将监控特定器官的运动，例如，膀胱的扩张和收缩。我们将创造这类可用于精确测量这些物理参数的可植入传感器来获知器官的功能状态。”
Mousavi表示，该项目探测的第二个领域是电化学传感，尤其是生物标志物和神经递质，例如，测量周围神经系统环境中的多巴胺和血清素水平。该项目还会测量乙酰胆碱，这是一种会影响记忆和学习的神经递质，对于阿尔茨海默病的研究尤其重要。该团队还会创造各种传感器来测量环境的pH值，即酸碱度。
Mousavi说道：“环境pH值是总体情况的一个很实用的指标。一旦情况失衡，往往会影响局部pH并导致pH变化。”
Mousavi表示，她很荣幸能够加入该中心，与本行业和研究界的专家人士共同研究，协力创造特有的模块化技术。
Mousavi表示：“这比单纯在科学研究中发现新事物要求更复杂、难度更大。我们需要确保研究成果能够带给消费者切实的效用。”
Meng表示，新的研究中心会打破电治疗基础上器官疾病和病症的疗法相关研究中的壁垒。
Meng说道：“这样研究人员就能更加便利地开展更多实验。我认为通过接下来的科学发现，我们有望推动新疗法取得更快进展。”
本文介绍的研究部分获得了美国国立卫生研究院的资助（编号U41NS129514）。
编辑：Greta Harrison
头图：以南加州大学为主导的新科研中心将研发模块化开源可植入设备系统，以监测和刺激人体自主神经。图源：PIXABAY。
